ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 1, с. 134-141
УДК 581.145:581.3:582.475.4
ОСОБЕННОСТИ ЭМБРИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ У СОСНЫ СИБИРСКОЙ (Pinus sibirica DU TOUR) С ОДНОЛЕТНИМ ЦИКЛОМ РАЗВИТИЯ ЖЕНСКОЙ ШИШКИ В ГОРАХ ЗАПАДНОГО САЯНА
© 2004 г. И. Н. Третьякова, Н. В. Новоселова, Ю. А. Череповский
Институт леса им. ВН. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук, Красноярск
Поступила в редакцию 14.10.2002 г.
Проводили морфологические и цитоэмбриологические исследования уникальных форм сосны сибирской (Pinus sibirica Du Tour) с однолетним циклом развития женских шишек. Показано, что морфогенез женских побегов у "аномальных" деревьев сосны сибирской с однолетним циклом развития направлен на акселерацию развития мегастробилов - их необычайно интенсивный рост и ускоренное формирование половых структур. Цитоэмбриологические исследования семяпочек у данных деревьев показали значительное сокращение свободно-ядерной стадии развития гаметофитов (до 3-х нед. вместо 1 г.), сверхраннее формирование архегониев и яйцеклеток. Однако оплодотворение яйцеклеток и развитие зародышей у "аномальных" форм не происходит; происходит деление ядра яйцеклетки в гаплоидном состоянии. Формируются развитые семена без зародыша. Предполагается, что причиной акселерации развития эмбриональных структур "аномальных" особей сосны сибирской является высокий уровень гормонального и углеводно-азотного обмена в тканях семяпочки.
Ртш sibirica - акселерация - почка - побег - морфогенез женской шишки - эмбриологические структуры
Среди особей сосны сибирской - кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour) в древостоях Западного Саяна встречаются отдельные уникальные формы с признаками акселерации развития мегастробилов. У таких форм деревьев наряду с двухлетним циклом развития женских шишек отмечалось массовое формирование шишек, у которых полный морфогенез и формирование семян происходили в год опыления в течение 1.5-2.5 мес. (вместо 14-15 мес.) [1-3]. Внешне "аномалии" проявлялись в локализации зрелых женских шишек на кончиках однолетних побегов там, где обычно располагается озимь. У "аномальных" женских шишек разрастание мегастробилов наблюдалось в основании шишек [2, с. 132].
По данным физиолого-биохимических исследований однолетние женские шишки уникальных форм особей сосны сибирской характеризовались активным метаболизмом: содержали большое количество ауксинов и гибберелинов, а так-
Сокращение: НУК - нафтилуксусная кислота. Адрес для корреспонденции: Третьякова Ираида Николаевна. 660036 Красноярск, Академгородок. Институт леса СО РАН. Факс: (3912) 43-36-86; электронная почта: institute@forest.akadem.ru
же накапливали свободные аминокислоты и низкомолекулярные углеводы [2, с. 155-173]. Мининой [2, с. 174] было высказано предположение об "аномалии" женских шишек у сосны сибирской, как возможного проявления какой-то формы, близкой к апомиксису, возникшему у отдельных особей данного вида.
Предположение Мининой было подтверждено данными цитоэмбриологических исследований, проведенных на двух "аномальных" деревьях сосны сибирской (№ 808 и № 810). У "аномальных" особей через 1.5 мес. после опыления резко возрастала активность женского гаметофита, через 2 мес. появлялись архегонии и формировались яйцеклетки, однако оплодотворения яйцеклетки не происходило из-за отсутствия роста пыльцевых трубок к архегониям. В то же время было показано, что ядро яйцеклетки делится в гаплоидном состоянии, т.е. в семяпочках "аномальных" особей проявляются свойства апомиксиса.
В начале 70-х и в конце 90-х гг. в древостоях Западного Саяна Ирошниковым и Череповским были обнаружены еще две особи сосны сибирской с "аномальными" однолетними женскими шишками. Акселерация женских шишек у данных особей была еще более заметной по сравнению с описанными деревьями. Уже через 1.5 мес.
после опыления (конец 2-ой декады июня) у "аномальных" особей однолетние женские шишки были хорошо заметны в кроне деревьев на кончиках однолетних побегов. Общей морфологической характеристикой деревьев, отличающих их от описанных выше "аномальных" деревьев [1, 2], является внешний вид женских побегов, несущих однолетние шишки - большая часть протяженности таких побегов была без хвои (рис. 1а). Хвоя располагалась только в части женских побегов, прилегающей к женским шишкам. У данных деревьев разрастание мегастробилов женской шишки происходило по всей ее оси.
Следует отметить, что в кедровых древостоях Западного Саяна осенью в период созревания урожая и опадения женских шишек периодически встречаются шишки с признаками акселерации мегастробилов. У таких шишек происходит заметное разрастание семенных чешуй.
В настоящей статье рассматриваются особенности онтогенеза женских побегов, структура урожая женских шишек и приводятся цитоэмбри-ологические данные уникальных особей сосны сибирской с однолетним циклом развития. Для размножения "аномальных" особей сосны были поставлены опыты по выращиванию мегагамето-фитов в культуре in vitro.
МЕТОДИКА
Объекты исследования - формы сосны сибирской (Pinus sibirica Du Tour) с однолетним циклом развития женских шишек, произрастающие в Западном Саяне: в Ермаковском районе (район реки Мутной) - дерево № 100 и в Шушенском районе (село Субботино) - дерево № 1ш. Для сравнения использовали типичные формы деревьев сосны сибирской с обычным двухлетним циклом развития женских шишек (деревья № 476 и № 492).
С указанных выше деревьев с момента опыления (конец первой декады июня) до момента их созревания (конец августа) через каждые 7-10 дн. производили сбор женских шишек. Из шишек извлекали семяпочки, которые делили на две партии: одну партию фиксировали раствором Нава-шина для цитоэмбриологических исследований, а другую вводили в культуру in vitro.
При исследовании онтогенеза женских побегов проводили изучение морфологических параметров приростов текущего года, и осуществляли гистологический анализ женских почек. При этом описывали характер заложения метамер-ных органов: кроющих чешуй, укороченных побегов (брахибластов) и мегастробилов, а также замеряли протяженность побега (L), протяженность побега, занятого хвоей (/), определяли степень охвоенности побегов (отношение //L), под-
(в)
Рис. 1. Строение женских побегов (а) и внешний вид женских шишек (б, в) у особей сосны сибирской с однолетним циклом развития.
а - базипетальная часть побега лишена брахибластов; б - локализация однолетних женских шишек на кончиках однолетних побегов; в - внешний вид женских шишек; слева - шишка с однолетним циклом развития; справа - шишка с двухлетним циклом развития.
считывали число брахибластов на побеге, и замеряли длину хвои.
Оценку семенной продуктивности женских шишек проводили по методу Сабинина, разработанному для злаковых культур и модифицированному для хвойных [4, с. 120]. Учитывали следующие показатели строения женских шишек: длину и ширину шишки, число семенных чешуй (общее,
Рис. 2. Схема женских генеративных почек сосны сибирской в период окончания роста побегов. а - типичная почка; б - "аномальная" почка; 1 - почечные чешуи; 2 - блахибласты; 3 - зачатки женских шишек.
Условные сроки заложения: 1 - май; 2 - июнь, июль; 3 - август.
развитых), число семяи. Показатель семенной продуктивности считали как отношение числа семян к числу семенных чешуй, уменьшенных вдвое, и выражали в процентах.
Для цитологического анализа проводили фиксирование семяпочек и генеративных почек смесью Навашина; постоянные препараты готовили по общеизвестной методике [5]; препараты окрашивали проционовыми красителями [6], гематоксилином по Гайденгайну и реактивом Фельгена-Шиффа [5]. Просмотр микроскопических образцов осуществляли на микроскопе KS 300 Imaging System (Германия). Морфологические изменения фиксировали цифровой видеокамерой "Nikon" (Япония).
Культивирование семяпочек проводили на MS-среде [7] со следующими гормонами: ИУК,
НУК, БАП в соотношении НУК (0.1 мг/л): БАП (0.5 мг/л) и ИУК (0.2 мг/л): БАП (1 мг/л).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Морфогенез женских побегов
Исследования показали, что рост побегов у деревьев сосны сибирской заканчивается в конце второй декады июля. Внешне женские генеративные почки после окончания роста побегов у "аномальных" форм сосны сибирской не отличались от генеративных почек типичных форм. Длина почки составляла 12-15 мм. Однако гистологическое исследование показало определенные различия в последовательности заложения метамеров по оси женской почки у "аномальных" и типичных деревьев (рис. 2). У первых закладывались только кроющие чешуи, заложение зачатков укороченных побегов (брахибластов) начиналось с середины оси, последними в апикальной части почки закладывались 2-3 зачатка мегастробилов. Таким образом, морфогенез женских генеративных почек у "аномальных" особей отличался от морфогенеза генеративных почек типичных деревьев сосны сибирской отсутствием метамеров брахибластов в дистальной части почки [2, 8-11].
Значительные отличия в строении женских побегов приростов текущего года наблюдались у "аномальных" особей сосны сибирской в период окончания их роста. Эти отличия выражались в отсутствии хвои (брахибластов) в основании побегов с женскими шишками и локализации женских шишек на верхушке побегов (рис. 1а, б). Ох-военность побегов колебалась от 25 до 67% (табл. 1). Длина хвои составляла 13.5-15.3 см, т.е. была больше, чем у типичных деревьев, описанных в литературе (5.0-14.2 см) [8-11]. Длина женских побегов колебалась от 38 до 113 мм, в то время как у типичных деревьев эта длина составляла от 100 до 200 мм [9]. В верхушечной части женских побегов как у "аномальных", так и у типичных деревьев развивались 2-3 шишки.
Таким образом, морфогенез женских побегов у "аномальных" деревьев сосны сибирской с однолетним циклом развития женской шишки направлен на акселерацию развития мегастроби-лов-их необычно интенсивный рост и ускоренное формирование половых структур.
Структура урожая женской шишки
Женские шишки "аномальных" особей сосны сибирской отличались от типичных с двухлетним циклом развития более мелкими размерами (рис. 1в, табл. 2). Между тем, еще Ирошников [1]
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.